CN102658686A - 一种铜钢复合板材 - Google Patents
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Abstract
一种铜钢复合板材，包括以下组分：2700~4500重量份的Fe，2000~3000重量份的Cu，6~8重量份的Zr，25~50重量份的Zn，5~30重量份的Al，10~40重量份的Fe，0.5~1重量份的Si，0.4~0.8重量份的Mo，选取2-2.5mm的钢板、厚度为1-1.5mm的铜板，在所述钢板、铜板的待复合表面上分别镀上一层合金镀层，所述镀层的厚度为4~8μm；在氢与惰性气体混合保护气体下加热至460~500℃，在压下量为10~15%的情况通过两个轧辊连续轧制；对轧制后的复合钢板进行退火处理，退火温度为560~580℃；将复合材料进行平整、抛光。本发明的复合铜钢材料具有高强度、高塑韧性和优良的应力腐蚀抗力。
Description
技术领域
本发明涉及一种双金属复合材料，尤其涉及一种铜钢复合板材。
背景技术
金属材料作为材料的主要组成部分，在生产及应用中起主导作用。然而，科学技术的进步对金属材料性能的要求越来越高，单一金属材料已无法满足这些需要。而且，在生产实践中，为满足制造特殊工程结构性能的需要，必须使用十分昂贵的有色金属和其它稀有金属材料。为了使金属材料最大限度地发挥出其所具有的性能，其方法之一就是把性能不同的材料加以组合制成复合材料。
铜/钢复合材料不仅具有铜的独特性能，而且还具有钢的强度和机械性能，从而获得防腐蚀、抗磨损、导电导热性优良、美观、成本低等优良的综合性能。它使零件有较长的使用寿命，比单一的铜材料有较高的强度、硬度，不易变形，提高了承载能力。以铜/钢复合材料代替铜金属，应用于生产实践，可以节省大量的铜资源，获得显著的经济效益。
现有技术中通常采用热轧和冷轧复合法制备铜钢复合材料。
热轧复合法是将被复合的金属坯料在高温高压下进行轧制变形，受热和力的共同作用而使不同金属进行结合的一种工艺方法，具有工艺简单、生产效率高等优点。热轧复合作为固相结合的一种常用复合方法，其工艺过程一般包括3步：首先进行结合表面的清理，包括去油、去氧化膜。使待结合面保持清洁；然后进行初结合，通过高温轧制令组元金属发生共同塑性变形，从而使两组元金属的接触表面达到原子问的距离，进而形成有效结合点，此时双金属之间能够形成机械结合；最后进行扩散热处理，又称为热烧结，在该过程中通过原子的扩散形成牢固的冶金结合。热轧复合法的优点是对轧机的要求不高，容易得到大张复合板，缺点是工艺复杂，产品的厚度及层厚比较难以控制。
冷轧复合包括“表面处理一常温下冷轧复合一扩散退火”为主要过程的生产工艺。与热轧复合法相比，冷轧复合时的首道次变形量要更大，一般要达到60-70%，甚至更高，但冷轧复合法可以实现多种组元的结合，并且可以生产复合带卷，尺寸精确，效率高，因此是目前应用最广泛的方法之一。虽然冷轧复合法早在50年代即已用于工业生产，但在用于铜/钢复合材料的生产时却未获得理想的效果，其原因是铜及其合金的基体和氧化物都具有良好的塑性，冷轧复合时，坯料虽经钢丝刷清理且首道次变形量达到70%其表面也不出现裂口，结果是坯料以原始表面带着薄的氧化膜被挤入钢的裂口与钢复合(进一步增加首道次变形量又受到轧机能力的限制)，因此结合十分脆弱，结合强度低且不稳定。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中铜钢复合板材生产方法的不足，提供了一种改进的铜钢复合板材。
本发明的技术方案为，一种铜钢复合板材，其特征在于，所述板材包括以下组分：
2700~4500重量份的Fe， 2000~3000重量份的Cu，
6~8重量份的Zr， 25~50重量份的Zn，
5~30重量份的Al， 10~40重量份的Fe，
0.5~1重量份的Si， 0.4~0.8重量份的Mo，
其中，所述铜钢复合板材通过如下步骤制得：
1）表面清理
选取适合加工面积的厚度为2-2.5mm的钢板、厚度为1-1.5mm的铜板，对钢板、铜板的进行表面清理，用5 -10%NaOH水溶液在80℃浸泡20min，再用10%HCl水溶液酸洗约10min，最后用钢丝刷清理待复合表面的氧化皮，钢丝刷在使用前先进行碱洗；
2）毛化处理
使用打磨机对上述经过步骤1）处理的表面进行纵向打磨金属表面，使用型号为P100的砂带对钢板待复合面进行打磨，使用型号为P80的砂带对铜板待复合面进行打磨，使得钢表面粗糙度为75~95μm，铜表面粗糙度为85~105μm；
3）喷涂结合层
通过浸镀或喷涂方式，在经过步骤2）处理过的所述钢板、铜板的待复合表面上分别镀上一层合金镀层，所述镀层的厚度为4~8μm，而且所述合金镀层中含有以下组分：
6~8重量份的Zr， 25~50重量份的Zn，
5~30重量份的Al， 10~40重量份的Fe，
0.5~1重量份的Si， 0.4~0.8重量份的Mo
4）轧制
将钢板、铜板的结合层面相对的情况下，在氢与惰性气体混合保护气体下加热至460~500℃，其中氢的体积含量为0.8~2%，然后保温5~7分钟，在压下量为10~15%的情况通过两个轧辊连续轧制，轧制速度选在5～15mm/s；
5）退火
对轧制后的复合钢板进行退火处理，退火温度为560~580℃，保温时间1.8~2小时左右；
6）将复合钢板进行平整、抛光。
对于1）表面清理过程步骤，酸洗可以去除金属表面的氧化层，碱洗可以去除金属表面的油脂，此外，钢丝刷可以清理残余的氧化皮，在使用前先进行碱洗，以进一步去除加工时附带的油脂。
对于2）毛化处理过程，对钢板和铜板的待复合面进行毛化处理，适当的粗糙度有利于后续加工中复合金属层的扩散复合过程。此外，粒度大的砂带用于钢板，粒度较小的砂带用于铜板。
对于3）喷涂结合层步骤，结合层中含有大量Zn，由于铜和铁的直接结合性较差，而Zn与铜、钢分别都有良好的结合性，因此在设置含有大量Zn的结合层，在轧制过程中， Zn向铜板、钢板中扩散而促进钢板与铜板的有效结合。
而且，Zr 元素在铜钢合金中，以铜锆弥散化合物形式存在。弥散的铜锆化合物在铜钢复合板材中形成弥散强化，且铜锆是高熔点化合物，在退火时阻碍铜基体的回复和再结晶过程，从而减小由此产生的软化，所以Zr元素的加入使得钢板铜板结合更牢固有效，提高了复合材料的抗软化温度和抗拉强度，改善了合金的热稳定性。
此外，结合层中添加适量的Si和Mo，可以提高结合层的抗氧化和稳定性。
对于4）轧制步骤，本发明经过实验，轧制速度选在5～15mm/s范围内，复合板材的界面结合性能最高。
对于5）退火步骤，温度对扩散速率有决定性作用。常温下金属扩散很慢，但在高温区(一般在熔点1/2以上)金属扩散很快。对金属复合材料进行热处理时要同时考虑两种金属的不同扩散温度，使热处理效果达到最佳状态。热处理最佳温度是以两种金属的理论退火温度为依据再加实验来确定。除选择合适的热处理温度外，保温时间也非常关键。保温时间主要通过实验来确定，保温时间与扩散层厚度直接相关，但二者并不呈正比关系。本发明通过大量实验，发现最佳退火温度为560~580℃，最佳保温时间1.8~2小时左右；
6）将复合钢板进行平整、抛光。
本发明的有益效果在于，由于采用上含有上述配比的结合层，使得钢板与铜板直接结合性好；此外，复合温度较低，轧制压下量较小，节约工作成本；采用本发明方法制得的复合铜钢材料具有高强度、高塑韧性和优良的应力腐蚀抗力。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
实施例1
1）表面清理
选取适合加工面积的厚度为2-2.5mm的钢板、厚度为1-1.5mm的铜板，对钢板、铜板的进行表面清理，用5%NaOH水溶液在80℃浸泡20min，再用10%HCl水溶液酸洗约10min，最后用钢丝刷清理待复合表面的氧化皮，钢丝刷在使用前先进行碱洗；
2）毛化处理
使用打磨机对上述经过步骤1）处理的表面进行纵向打磨金属表面，使用型号为P100的砂带对钢板待复合面进行打磨，使用型号为P80的砂带对铜板待复合面进行打磨，使得钢表面粗糙度为75μm，铜表面粗糙度为85μm；
3）喷涂结合层
通过浸镀或喷涂方式，在经过步骤2）处理过的所述钢板、铜板的待复合表面上分别镀上一层400℃的合金镀层，所述镀层的厚度为4μm，而且所述合金镀层中含有以下组分：
6重量份的Zr， 25重量份的Zn，
5重量份的Al， 10重量份的Fe，
0.5重量份的Si， 0.4重量份的Mo，
4）轧制
将钢板、铜板的结合层面相对的情况下，在氢与惰性气体混合保护气体下加热至460℃，其中氢的体积含量为0.8%，然后保温5分钟，在压下量为10%的情况通过两个轧辊连续轧制，轧制速度选在5mm/s；
5）退火
对轧制后的复合钢板进行退火处理，退火温度为560℃，保温时间1.8小时左右；
6）将复合钢板进行平整、抛光。
在日本岛津AG-I250K 精密万能试验机上进行试样的拉伸试验，对材料的抗拉强度进行测量，上述制得的铜钢复合板材的抗拉强度达到95 Mpa。
实施例2
1）表面清理
选取适合加工面积的厚度为2-2.5mm的钢板、厚度为1-1.5mm的铜板，对钢板、铜板的进行表面清理，用8%NaOH水溶液在80℃浸泡20min，再用10%HCl水溶液酸洗约10min，最后用钢丝刷清理待复合表面的氧化皮，钢丝刷在使用前先进行碱洗；
2）毛化处理
使用打磨机对上述经过步骤1）处理的表面进行纵向打磨金属表面，使用型号为P100的砂带对钢板待复合面进行打磨，使用型号为P80的砂带对铜板待复合面进行打磨，使得钢表面粗糙度为85μm，铜表面粗糙度为95μm；
3）喷涂结合层
通过浸镀或喷涂方式，在经过步骤2）处理过的所述钢板、铜板的待复合表面上分别镀上一层合金镀层，所述镀层的厚度为6μm，而且所述合金镀层中含有以下组分：
7重量份的Zr， 45重量份的Zn，
10重量份的Al， 20重量份的Fe，
0.8重量份的Si， 0.6重量份的Mo
4）轧制
将钢板、铜板的结合层面相对的情况下，在氢与惰性气体混合保护气体下加热至480℃，其中氢的体积含量为1%，然后保温6分钟，在压下量为12%的情况通过两个轧辊连续轧制，，轧制速度选在10mm/s；
5）退火
对轧制后的复合钢板进行退火处理，退火温度为570℃，保温时间2小时左右；
6）将复合钢板进行平整、抛光。
在日本岛津AG-I250K 精密万能试验机上进行试样的拉伸试验，对材料的抗拉强度进行测量，上述制得的铜钢复合板材的抗拉强度达到98 Mpa。
实施例3
1）表面清理
选取适合加工面积的厚度为2-2.5mm的钢板、厚度为1-1.5mm的铜板，对钢板、铜板的进行表面清理，用10%NaOH水溶液在80℃浸泡20min，再用10%HCl水溶液酸洗约10min，最后用钢丝刷清理待复合表面的氧化皮，钢丝刷在使用前先进行碱洗；
2）毛化处理
使用打磨机对上述经过步骤1）处理的表面进行纵向打磨金属表面，使用型号为P100的砂带对钢板待复合面进行打磨，使用型号为P80的砂带对铜板待复合面进行打磨，使得钢表面粗糙度为95μm，铜表面粗糙度为105μm；
3）喷涂结合层
通过浸镀或喷涂方式，在经过步骤2）处理过的所述钢板、铜板的待复合表面上分别镀上一层400℃的合金镀层，所述镀层的厚度为4~8μm，而且所述合金镀层中含有以下组分：
8重量份的Zr， 50重量份的Zn，
30重量份的Al， 40重量份的Fe，
1重量份的Si， 0.8重量份的Mo，
4）轧制
将钢板、铜板的结合层面相对的情况下，在氢与惰性气体混合保护气体下加热至500℃，其中氢的体积含量为2%，然后保温7分钟，在压下量为15%的情况通过两个轧辊连续轧制，轧制速度选在15mm/s；
5）退火
对轧制后的复合钢板进行退火处理，退火温度为580℃，保温时间2小时左右；
6）将复合钢板进行平整、抛光。
在日本岛津AG-I250K 精密万能试验机上进行试样的拉伸试验，对材料的抗拉强度进行测量，上述制得的铜钢复合板材的抗拉强度达到96 Mpa。
Claims (1)
1.一种铜钢复合板材，其特征在于，所述板材包括以下组分：
2700~4500重量份的Fe， 2000~3000重量份的Cu，
6~8重量份的Zr， 25~50重量份的Zn，
5~30重量份的Al， 10~40重量份的Fe，
0.5~1重量份的Si， 0.4~0.8重量份的Mo，
并且，所述复合板材通过以下步骤制得：选取2-2.5mm的钢板、厚度为1-1.5mm的铜板，对钢板、铜板的进行表面清理；使用打磨机对上述经过处理的表面进行纵向打磨金属表面，通过浸镀或喷涂方式；在所述钢板、铜板的待复合表面上分别镀上一层合金镀层，所述镀层的厚度为4~8μm；将钢板、铜板的结合层面相对的情况下，在氢与惰性气体混合保护气体下加热至460~500℃，然后保温5~7分钟，在压下量为10~15%的情况通过两个轧辊连续轧制；对轧制后的复合钢板进行退火处理，退火温度为560~580℃，保温时间1.8~2小时左右；将复合材料进行平整、抛光。
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